生物化学电子版本.docx

1、生物化学电子版本生物化学第一章 蛋白质的结构与功能第一章 蛋白质的结构与功能第一节 蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成主要有碳、氢、氧、氮、硫。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此，可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。每克样品含氮克数6.25100=100g样品中蛋白质含量（g%）二、蛋白质的基本组成单位氨基酸蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下，最终水解为游离氨基酸（amino acid），即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基酸仅20种（称编码氨基酸），最先发现的是天门冬

2、氨酸（1806年），最后鉴定的是苏氨酸（1938年）。（一）氨基酸的结构通式组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点：1氨基连接在- C上，属于-氨基酸（脯氨酸为-亚氨基酸）。2R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸都是L-型。手性碳也叫不对称碳，指连接在C上的四个基团都不一样，可以看看甘氨酸的结构图，有两个H，因此甘氨酸是个特例。（二）氨基酸的分类按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基本、酸性氨基酸和碱性氨基酸四种。非极性疏水性氨基酸：甘（Gly）、丙（Ala）、缬（Val）、亮（Leu）、异亮（Ile）、苯丙（P

3、he）、脯（Pro）极性中性氨基本：侧链带有不可解离的极性R（羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：色（Trp）、丝（Ser）、酪（Tyr）、苏（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、半（Cys）、蛋(Met)酸性：（侧链含有COOH，共2种）：天（Asp）、谷（Glu）碱性：（侧链含有额外的氨基，共3种）赖（Lys）、精（Arg）、组（His）。最常问到的是酸性或碱性氨基酸，除此之外还有几种需要知道的：含硫氨基酸：半胱、蛋氨酸；含苯环：苯丙、酪、色氨酸；含亚氨基：脯氨酸。氨基酸修饰：羟脯氨酸；除了这20种氨基酸，其他的像瓜氨酸、同型半胱氨酸只参与到某性代谢过程，不能组成蛋白质蛋白质分子中的胱氨

4、酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质加工修饰而成。（三）氨基酸的重要理化性质1紫外吸收性质 苯丙、酪、色氨酸含有苯环共轭双链，具有紫外吸收特性，酪、色在280nm处有吸收峰值（其中以色氨酸最强），而绝大多数蛋白质都含有这两种氨基酸，故可用于粗略估算蛋白质含量。2两性解离和等电点（isoelectric point, pI）氨基酸含有碱性的氨基和酸性的羧基，既可作为酸（质子供体），又可作为碱（质子受体）起作用，是两性电解质，其解离度与溶液的pH有关。在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和程度相等，成为兼性离子，呈电

5、中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点（isoelectric point,pI)注意：pHpI，氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动，相反，pHpI时，与蛋白质结合发生不可逆的变性并沉淀。pHpI时，蛋白质带负电荷，才有可能与带正电荷的金属离子结合蛋白质变性不一定沉淀（如强酸、强碱作用变性后仍然能溶解于强酸、强碱溶液中）；凝固一定变性，因为是蛋白质变性发展的不可逆的结果。沉淀的蛋白质不一定变性（如盐析）。第二章 核酸的结构与功能第一节 核酸的化学组成天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）

6、。DNA分子是生物体的遗传信息库，分布在原核细胞的核区，真核细胞的细胞核和线粒体中；RNA分子参与遗传信息表达的一些过程，主要存在于细胞质。一、核酸的基本组成单位核酸是一种多聚核苷酸，用不同的降解法得到其组成单位核苷酸。而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。（一）戊糖DNA含-D-2-脱氧核糖，RNA含-D-核糖。这是核酸分类的依据。核糖中的C记为15，脱氧核糖之所以叫脱氧核糖，是脱掉了第2位碳原子上连接的氧。（二）碱基（base）核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。有5种基本的碱基外，还有一些含量甚少的稀有碱基。DNA和RNA中常见的两种嘌呤碱是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanin

7、e，G）。而嘧啶碱有所不同：RNA主要含胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U），DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。（三）核苷碱基和戊糖通过糖苷键连接生的糖苷。碱基连接在戊糖的第1位碳原子上。（四）核苷酸是核苷与磷酸形成的磷酸酯。常见的核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子。ATP在能量代谢中起重要作用。三个字母的简

8、写中第一个字母代表碱基，如AMP的A代表腺嘌呤，第二个字母代表数字，M=mono（单，一），D=di(双，二），Ttri（三），第三个字母P指磷酸。因此AMP就是一磷酸腺苷，而常说的ATP就是三磷酸腺苷。脱氧核苷酸简写前面的小写ddeoxy（脱氧），这些简写在生物化学中经常遇到，应该知道。二、核苷酸的连接方式RNA和DNA链都有方向性，从5 3。前一位核苷酸的3- OH与下一位核苷酸的5位磷酸基之间形成3，5-磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5末端和3末端。大分子的主链由相间排列的戊糖和磷酸构成，而碱基可看作主链上的侧链基团，主链上的磷酸基是酸性的，在细胞pH下带

9、负电荷；而碱基有疏水性。第二节 DNA的分子结构一、 DNA的一级结构 (primary stucture)DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，碱基序有严格的方向性（ 5 3） 。 二、DNA的二级结构双螺旋(double helix) 1953年，Watson和Crick提出了著名的双螺旋模型。Watson-Crick 双螺旋结构模型如下图：1两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5 3，另一条为3 5。2碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟和一小沟。3螺距为3.4 nm，含10个碱基对（bp

10、），相邻碱基对平面间的距离为0.34nm。螺旋直径为2 nm。4. 氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。DNA构象有多态性。其结构与温度、湿度、盐浓度等条件有关，前面介绍的经典的双螺旋称为B-DNA。另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。1979年Rich发现Z-DNA（左手螺旋、螺距4.5nm、直径1.8nm）三、DNA的三级结构DNA 双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成

11、非常致密的超级结构。1原核生物的环形DNA原核生物的DNA多数形成封闭的环状，环可以再次盘绕形成超螺旋。2真核细胞染色体 真核细胞DNA是线形分子，与组蛋白结合，核小体是染色体的基本结构单位，是DNA包装的第一步，它由DNA结合到组蛋白上形成复合物，在电镜下显示为成串的“念珠”状。组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质，其氨基酸序列在进化中是高度保守的。组蛋白有5种，H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒，DNA缠绕其上，相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合H1。串珠状结构再次盘曲形成纤维状，纤维状盘曲成柱状，最后形成染色体。DNA就是通过这种方式，将直线长度约1米

12、长的人类DNA容纳于数个微米的细胞核中。四、DNA的功能DNA的功能是贮存遗传信息，并作为复制和转录的模板。DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，人类基因组有3109bp，含4万个基因。第二章 核酸的结构与功能（3-4节）第三节 RNA的分子结构RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。RNA链可以回折且通过A与U，G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。 按照功能的不同和结

13、构的特点，RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA，如核内小RNA（snRNA）、不均一核RNA（heterogeneousnuclear RNA，hnRNA，是成熟mRNA的前体）一、信使RNA（messenger RNA，mRNA）hnRNA经过剪接加工转变为成熟的mRNA。mRNA的功能，是转录DNA中贮存的遗传信息，并作为直接模板指导蛋白质的合成。细胞内含量较少的一类RNA，约占总RNA的3%。代谢活跃，寿命较短。真核细胞的mRNA有不同于原核细胞的特点：5-末端加有一个“帽”式结构,（m7 Gppp）， 3- 末端有多聚A（pol

14、yA）尾。这两种结构具有稳定mRNA结构，调控蛋白质翻译等功能。中间是每三个核苷酸一组组成的密码子，与所翻译的蛋白质的氨基酸序列相对应。二、转运RNA（transfer RNA，tRNA）主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。分子量最小的RNA。含有稀有碱基（rare bases)，指出了前面介绍的A,U,C,G之外的其他碱基，如氢尿嘧啶，假尿嘧啶和甲基化的嘌呤等。形成茎环状结构(stem-loop)3-末端有CCA,能与氨基酸结合，称氨基酸接纳茎。含有反密码子环，识别mRNA上的密码子。二级结构：三叶草形； 三级结构：倒L形。三、核糖体RNA（ribosomal RNA，r

15、RNA）功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。含量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%。核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞的rRNA有3种，23S与5S rRNA在大亚基，16S在小亚基。真核细胞有4种rRNA，其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S。RNA特点功能mRNA帽子、尾巴、密码子蛋白合成的模板tRNA稀有碱基，茎环、反密码子转运氨基酸rRNA含量最多与蛋白结合形成核糖体，是蛋白合成的场所第四节核酸的性质一、一般理化性质1微溶于水，不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。2RNA在室温下易被稀碱水解，DNA较稳定，此特性用来测定RNA的碱基

16、组成和纯化DNA。4紫外吸收，嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，具有紫外吸收特性最大吸收峰在260nm处，注意：蛋白质的紫外吸收峰值是280nm。二、核酸的变性和复性1变性的概念在理化因素作用下，核酸的双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程。变性的因素有热、酸、碱、乙醇、尿素等。变性的本质是双螺旋之间的氢键断裂，核苷酸排列顺序并没有改变。变性的结果是紫外吸收值明显增加（增色效应）。2DNA的变性和TmDNA热变性过程中，紫外吸收值增高，有一个特征性曲线称熔解曲线，通常将熔解曲线的中点，即紫外吸收值达到最大值50%时的温度称为解链温度，又叫熔点（Tm）。变性温度与碱基组成、DNA长

17、度及变性条件有关。GC含量越高，Tm越大（GC之间是三个氢键，而AT之间只有两个，故打开GC多的DNA需要更高的温度）；DNA越长，Tm越大。3DNA的复性与分子杂交 变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火（annealing）。分子杂交是以核酸的变性和复性为基础，只要不同来源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链，这个现象称为核酸分子杂交（hybridization）。第三章 酶第一节 酶的结构与功能酶（enzyme

18、)是由活细胞合成的，对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。另外还有一类具有催化作用的核酸，称为核酶。几个基本概念：酶所催化的反应称为酶促反应。在酶促反应中被催化的物质称为底物，反应的生成物称为产物。酶所具有的催化能力称为酶活性。一、酶的作用特点酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的共性，如在反应前后酶的质和量不变；只催化热力学允许的化学反应，即自由能由高向低转变的化学反应；不改变反应的平衡点。但是，酶是生物大分子，又具有与一般催化剂不同的特点。1极高的催化效率2高度的特异性特异性又分三类：绝对特异性：一种酶只催化一种底物。如脲酶仅催化尿素水解。相对特异性：一种酶可催化一大类底物。如酯酶可水解各种有机

19、酸和醇形成的酯。立体异构特异性：只催化某一构象的底物。如L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸，对D-氨基酸无作用。3酶活性的可调节性酶促反应受多种因素的调控，可通过酶的合成与分解、酶活性的抑制或激活等形式的调节，以适应机体在不同环境下的需求。4酶的不稳定性酶主要是蛋白质，凡能使蛋白质变性的理化因素均可影响酶活性，甚至使酶完全失活。酶催化作用一般需要比较温和的条件（37、pH7）。二、酶的分类根据国际酶学委员会（International Enzyme Commission，IEC）的规定，按照酶促反应的性质，分为六大类：1氧化还原酶（oxidoreductases）催化底物进行氧化还原反应。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。2转移酶（transferases）催化底物之间某些基团的转移或交换。如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。3水解酶（hydrolases）催化底物发生水解反应。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。4裂解酶（lyases）催化底物裂解或移去基团（形成双键